2. Архитектурные особенности современных микропро­цессоров.

Архитектура МП объединяет аппаратные и программные сред­ства вычислительной техники. При разработке архитектуры МП устанавливаются форматы данных и команд, определяются сис­темы команд и методы адресации, обосновываются требования к интерфейсам. Архитектура МП включает: структурную схему МП; программную модель МП (описание функций регистров); информацию об организации памяти (емкость и способы адре­сации памяти); описание организации процедур ввода/вывода. Существует два основных типа архитектуры фон-неймановская и гарвардская. Особенность фон-неймановской (одношинной или принстонской) архитектуры - программа и данные находят­ся в общей памяти, доступ к которой осуществляется по одной шине данных и команд.(рис.)

Ф

ША

ШД и ШК

он-неймановская архитектура применяется в персональных компьютерах. Наличие единой па­мяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. В системах с такой архитекту­рой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт), что позволяет решать сложные задачи.

Особенность гар­вардской архитек­туры - память данных и память программ разде­лены, имеют от­дельные ШД и ШК, что позволяет повысить быстро­действие МПС (рис. 2). Архитек­тура с раздельны­ми шинами при­меняется в одно­кристальных мик­роконтроллерах. Переход на двухшинную архи­тектуру ускоряет работу МПС, но требует допол­нительных затрат на аппара­туру, усложне­ния структуры процессора.

Структурные схемы содержат: процессорный элемент, память, интерфейсы ввода/вывода

ИВВ, УВВ.

Процессорный элемент содержит регистры, АЛУ, УУ и выполняет функции обработки данных и управления процессами обмена информацией. Память обеспечивает хранение данных и кодов команд. Интерфейсы ввода/вывода предназначены для связи с УВВ (с клавиатурой, дисплеем и др.)

3. Структура и функционирование микропроцессорной системы.

В состав МПС входят: центральный процессор (ЦП), память, включающая оперативную память (ОЗУ, RAM) и посто­янную память (ПЗУ, ROM); устройства ввода/вывода (УВВ, I/O), служащие для связи МПС с внешними устройствами для приема (ввода, чтения) входных сигналов и выдачи (вывода, за­писи) выходных сигналов; система прерываний; таймер. Уст­ройства ввода/вывода подключаются к системной шине через интерфейсы ввода/вывода. ПЗУ и ОЗУ образуют систему памя­ти, предназначенную для хранения информации в виде двоичных чисел. ПЗУ хранит программы управления, таблицы и кон­станты; ОЗУ - данные, поступившие из ВУ или подготовленные для выдачи во ВУ, а также для хранения промежуточных результатов вычислений и адресной информации.

Модуль ЦП осуществляет обработку данных и управляет модулями системы. Основные узлы БИС МП: устройство управления (УУ) с регистром команд (РгК) и дешифратором ко­манд (ДШК); АЛУ; аккумулятор (А) - основной рабочий ре­гистр; регистры общего назначения (РОН) со счетчиком команд (СК). Центральный процессор, кроме БИС МП, содержит схемы синхронизации и интерфейса с системной шиной, осуществляет выборку кодов команд из памяти, дешифрует их и выполняет. Устройства ввода/вывода предназначены для ввода информа­ции в МП или вывода информации (дисплеи, печатающие уст­ройства, клавиатура, ЦАП и АЦП). Интерфейсы ввода/вывода -совокупность шин для передачи информации. Блок ИФ служит для сопряжения МПС и ВУ по электрическим и временным па­раметрам.

Обобщенная структурная схема МПС управления:

Система прерываний позволяет МПС реагировать на внешние сигналы - запросы прерываний, источниками которых могут быть: сигналы готовности от ВУ. При появлении запроса на прерывание ЦП прекращает выполнение основной программы и переходит к выполнению подпрограммы обслуживания запроса прерывания. Для построения системы прерываний МПК содер­жат БИС специальных программируемых контроллеров прерываний.

Таймер предназначен для реализации функций связан­ных с отсчетам времени. После того как МП загружает в таймер число, задающее частоту, задержку или коэффициент деления таймер реализует необходимую функцию.

4. Система команд Микропроцессора, выполнение команд

Команда определяет операцию, которую выполняет МП нал данными и содержит информацию о том, где будет помешен результат операции, а также об адресе следующей команды

формат команды - состав, назначение и расположение полей кода команды; содержит операционную (код операции) и адресную части (информация об адресах операндов, результате операции и следующей команде). Длина формата команды определяет скорость ее выполнения и зависит от способа адресации операндов.

Существуют следующие способы адресации:

Прямая. Адрес операнда указан непосредственно в команде.

Косвенная – указывается регистр, в котором хранится адрес ячейки памяти, содержащей операнд.

Непосредственная – операнд содержится во втором и третьем байтах команды.

Регистровая (неявная) – команда указывает на регистр или пару регистров, в которых записаны данные.

Стековое – адрес определяется указателем стека.

Кроме перечисленных, существуют способы адресации: автоинкрементная (автодекрементная), страничная, индексная, относительная.

Различают группы команд МП:

1. Команды передачи данных.

2. Команды ввода/вывода.

3. Команды обработки информации (арифметические, логические, сдвиг, сравнение, десятичная коррекция).

4. Команды задания режимов работы МП.

В течение времени выполнения команды – командного цикла – ЦП выполняет следующие действия:

1. Выставляет адрес команды на ША

2. Получает код команды из памяти и дешифрует его.

3. Вычисляет адрес операнда и считывает данные

4 Выполняет операцию, определенную командой.

5. Воспринимает внешние управляющие сигналы, например, запрос прерываний.

6. Генерирует сигналы состояния и управления, необходимые для работы памяти и УВВ.

Процесс выполнения команды в МПС можно разбить на 2 фазы: фаза выборки кода команды, фаза ее исполнения.

Фаза выборки кода команды: адрес коман­ды из счетчика команд (СК) выставляется на ША, затем проис­ходит выборка кода команды из ПЗУ и передача его через ШК или ШД в РгК ЦП. После этого производится дешифрация этого кода в ДШК. В соответствии с кодом команды УУ вырабатывает последовательность управляющих сигналов, необходимых для выполнения этой команды.

Фаза выполнения команды начина­ется с подготовки операндов, которая заключается в определе­нии местоположения операндов. Затем ЦП переходит к выпол­нению операции, заданной кодом команды. В это время в СК формируется адрес следующей команды, и операция повторяет­ся.